数控技术与数控加工编程.ppt

本课程的主要内容,第1章数控技术概论第2章数控加工程编制基础第3章数控加工编程方法第4章计算机数控装置第5章数控机床的控制原理第6章数控机床的检测装置第7章数控机床伺服系统,第一章数控技术概论,概述数控机床的组成数控加工零件的过程数控机床的特点与分类数控技术的发展趋势重点：1.2.2、1.4数控系统的组成、数控机床特点与分类,主要内容,1.2数控机床的组成,数控系统的组成输入输出装置;计算机数控装置（ComputerNumericalControl，CNC）;主轴伺服驱动装置和进给伺服驱动装置以及检测装置等组成。可编程控制器（ProgrammableLogicControl,PLC）;,1.2数控机床组成,1)输入输出装置:是将加工零件的程序和各种参数、数据通过输入设备送到数控装置。输入方式有：穿孔纸带、MDI（ManualDataInput）方式、U盘、USB接口、RS232C接口、DNC接口。,1.2数控技术组成,组成：计算机系统、PLC接口板、位置控制板、通讯接口板、特殊功能模块以及相应的控制软件。作用：根据输入的零件加工程序进行相应的处理，然后输出控制命令到伺服驱动装置和PLC。CNC装置是CNC系统的核心。,2)CNC装置,1.2数控技术组成,1.4数控机床的特点与分类,分类,主要内容,点位控制(PointtoPointControlSystems),按运动控制方式分类,仅实现刀具相对于工件从一点到另一点的精确定位运动；对轨迹不作控制要求；运动过程中不进行任何加工。适用范围：数控钻床、数控镗床、数控冲床和数控测量机。,1.4数控机床的特点与分类,直线控制：(LineControlSystems)不仅要求控制点到点的精确定位，而且要求机床工作台或刀具（刀架）以给定的进给速度，沿平行于坐标轴的方向或与坐标轴成45角的方向进行直线移动和切削加工。,按运动控制方式分类:,1.4数控机床的特点与分类,主要内容,轮廓控制(ContouringControlSystems)对多个坐标轴同时进行控制，使之协调运动(坐标联动)，使刀具相对工件按程序规定的轨迹和速度运动，在运动过程中进行连续切削加工。,按运动控制方式分类:,1.4数控机床的特点与分类,适用范围：数控车床、数控铣床、加工中心等用于加工曲线和曲面的机床。,两坐标加工,按联动轴数分类,1.4数控机床的特点与分类,2轴控制，同时控制两个坐标,二轴半坐标加工,flash,三坐标加工,flash,四坐标加工,flash,5轴联动加工,5轴联动加工,五坐标加工,主要内容,开环控制(Open-LoopServo-Drive),电机,机械执行部件,A相、B相C相、,f、n,CNC插补指令,脉冲频率f脉冲个数n换算,脉冲环形分配变换,功率放大,按伺服系统方式分类,1.4数控机床的特点与分类,主要内容,闭环控制(Closed-LoopServo-Drive),特点:带有位置检测装置,安装在机床刀架或工作台等执行部件上，控制精度高；但系统稳定性受到影响,调试困难,且结构复杂、价格昂贵。,按伺服系统方式分类,1.4数控机床的特点与分类,半闭环控制(Half-Closed-LoopServo-Drive),速度控制,电路,工作台,伺服电机,位置比较,电路,指令脉冲,速度反馈,位置反馈,检测元件,按伺服系统方式分类:,带有位置检测装置，常安装在伺服电机上或丝杠的端部;不包括丝杠螺母副及机床工作台导轨副等大惯量环节，可获得稳定的控制特性，而且调试比较方便。,1.4数控机床的特点与分类,分为：,按工艺方法分:,普通数控机床加工工艺单一的机床加工中心带有刀库和自动换刀装置、能进行多工序加工的机床,金属切削数控机床金属成形数控机床特种加工数控机床,或分为：,1.4数控机床的特点与分类,2.1.4数控机床坐标系,图2-1右手直角笛卡尔坐标系,（1）机床坐标系与机床原点,机床坐标系是机床上固有的坐标系，用于确定被加工零件在机床中的坐标、机床运动部件的位置（如换刀点、参考点）以及运动范围（如行程范围、保护区）等。机床原点（M）是机床坐标系的零点，在机床调试完成后便确定，是机床上固定的点，一般不允许用户改变。,3机床坐标系与工件坐标系,（2）工件坐标系与工件原点,工件坐标系：是指以确定的加工原点为基准所建立的坐标系。是编程人员在编制零件加工程序时使用的坐标系，可根据零件图纸自行确定，用于确定工件几何图形上点、直线、圆弧等各几何要素的位置。工件原点：工件坐标系的原点或称为工件零点，可用程序指令来设置和改变;根据编程需要，在一个加工程序中可一次或多次设定或改变工件原点。,主要内容,工件坐标系的各坐标轴与机床坐标系相应的坐标轴平行，方向也相同，但原点不同；工件随夹具在机床上安装后，要测量工件原点与机床原点间的距离，此距离称为工件原点偏置。,注意：机床坐标系一般不作为编程坐标系，仅作为工件坐标系的参考坐标系。,机床坐标系与工件坐标系的关系,2.1.5加工程序结构与格式,一个完整的数控加工程序由程序名、程序体和程序结束三部分组成。程序体由若干程序段组成。O0001；程序名N10G92X0Y0Z200.0；N20G90G00X50.0Y60.0S300M03；N30G01X10.0Y50.0F150；N110M02；程序结束指令,1加工程序的构成,若干程序段,程序名程序名是一个程序必需的标识符。组成：由地址符后带若干位数字组成。地址符常见的有：“%”、“O”、“P”等，视具体数控系统而定。西门子系统和国产华中I型系统“%”，日本FANUC系统“O”，AB8400系统用P。后面所带的数字一般为48位。如：%2000程序体表示数控加工要完成的全部动作，是整个程序的核心。组成：它由许多程序段组成程序结束用指令M02或M30，结束整个程序的运行。,1加工程序的构成,常用G指令,坐标编程方式指令坐标系指定指令运动轨迹控制指令刀具补偿指令其它指令,2.2数控编程中的常用指令,G90、G91G92X_Y_Z_；G17、G18、G19G00X_Y_Z_；G01X_Y_Z_F_；G02G03,XY平面：G17X_a_Y_b_(R)F_；ZX平面：G18X_a_Z_c_(R)F_；YZ平面：G19Y_b_Z_c_(R)F_；,G41/G42、G40G00/G01G41/G42X_Y_D（H）xxF_；G00（或G01）G40X_Y_；刀具半径补偿的过程刀补建立、刀补进行和刀补取消。G04,如图所示，刀具半径补偿的过程的程序如下：:,N10G41G01X100.0Y100.0F100D01；刀补建立,N60G40G00X0Y0；刀补取消,N20Y200.0；N30X200.0；刀补进行N40Y100.0；N50X100.0；,恒线速度：G96S160表示控制主轴转速，使切削点的线速度始终保持在160m/min，注销恒线速度：G97S1000表示注销G96，即主轴不是恒线速度，其转速为1000r/min。当由G96转为G97时，应对S码赋值，否则将保留G96指令的最终值。当由G97转为G96时，若没有S指令，则按前一G96所赋S值进行恒线速度控制。,例：车削零件如下图，设A点为起刀点，刀具由A点快进到B点，然后沿BCDEF方向切削，再快退至A点。用绝对坐标编程:,O0020N10G92X50Z20；N20G90G00X20Z2S600M03;N30G01Z-14F100;N40X28Z-38;N50Z-48;N60X50;N70G00Z20M02;,形状复杂：加工精度要求高，用通用机床无法加工或虽然能加工但很难保证产品质量的零件；用数学模型描述的复杂曲线或曲面轮廓零件；具有难测量、难控制进给、难控制尺寸的不开敞内腔的壳体或盒型零件；必须在一次装夹中合并完成铣、镗、锪、铰或攻丝等多工序的零件。,最适应类,2.3.2数控加工零件或加工内容的选择,较适应类1.在通用机床上加工时极易受人为因素（如：情绪波动、体力强弱、技术水平高低等）干扰，零件价值又高，一旦质量失控便造成重大经济损失的零件；2.在通用机床上加工时必须制造复杂专用工装的零件；3.需要多次更改设计后才能定型的零件；4.在通用机床上加工需要作长时间调整的零件；5.用通用机床加工时，生产率很低或体力劳动强度很大的零件。,数控机床应用范围,不适应类装夹困难或完全靠找正定位来保证加工精度的零件；加工余量很不稳定，且数控机床上无在线检测系统可自动调整零件坐标位置的；生产批量大的零件（当然不排除其中个别工序用数控机床加工）；必须用特定的工艺装备协调加工的零件。,数控机床应用范围,2.3.5数控加工工序的详细设计,2刀具的选择,（3）铣刀的选择选取刀具时，要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸和形状相适应。大平面：面铣刀；加工凹槽、小台阶面及平面轮廓：立铣刀加工空间曲面、模具型腔等：球头铣刀加工封闭的键槽：键槽铣刀等加工变斜角零件：鼓形铣刀特殊形状：成形铣刀加工曲面和变斜角轮廓外形时常用球头刀、环形刀、鼓形刀和锥形刀等根据不同的加工材料和加工精度要求，应选择不同参数的铣刀进行加工。,位置精度高的孔系加工,孔类加工（钻孔、镗孔）,5加工路线确定,凹槽加工行切法将在每两次走刀路线之间留下金属残留高度，而达不到所要求的表面粗糙度；环切法刀位点计算稍为复杂。实际生产中，常先采用行切法加工，最后环切一刀光整轮廓表面，能获得较好效果。,行切法加工,环切法加工,第三章数控加工编程方法,主要述内容概述手工编程方法数控车床编程方法数控铣床编程方法加工中心编程方法重点：3.2.1,该指令将工件切削到精加工之前的尺寸，精加工前的工件形状及粗加工的刀具路径由系统根据精加工尺寸自动设定。,5）多重复合循环,（a）外圆粗车循环G71,在含有G71指令的程序段内，要指定精加工工件时程序段的顺序号、精加工留量、粗加工的每次切深、退刀量以及F、S和T功能等,5）多重复合循环,程序段中各地址的含义如下：d粗加工每次走刀的背吃刀量，为半径值；e退刀量；ns精加工程序段中的开始程序段号；nf精加工程序段中的结束程序段号；uX轴方向精加工余量；wZ轴方向精加工余量。,G71适用于圆柱毛坯料粗车外径和圆筒毛坯料粗车内径。格式：G71U(d)R(e)；G71P(ns)Q(nf)U(u)W(w)F_S_T_；N(ns)N(nf),用G71、G72、G73指令完成粗车循环后，使用G70指令可实现精车循环。精车时的加工量是粗车循环时留下的精车余量，加工轨迹是工件的轮廓线。格式：G70P(ns)Q(nf)；使用说明：（1）ns精加工形状程序段的开始程序段号（2）nf精加工形状程序段的结束程序段号（3）在由G71,G72和G73做了粗切削循环之后，可以用G70代码做最终精加工切削。,（d）精车循环G70,作业（一）,1、编制轴类零件的车削加工程序。加工内容包括粗、精车端面、倒角、外圆、锥度、圆角、退刀槽和螺纹加工等。该零件采用85mm300棒料毛坯，由于加工余量大，在外圆精车前采用粗车循环指令去除大部分毛坯余量，留有单边0.2mm余量。选用第一参考点为换刀点使用刀具为：外圆粗车刀、外圆精车刀、切槽刀和螺纹车刀。,数控车削程序如下：O0006；N10G92X200.0Z350.0；设置工件坐标系；N15G28U0W0；返回参考点；N20S1000T0101M03M08；主轴正转，调用01号粗车刀；N25G00X87.0Z290.1；快速走到粗车右端面起点（87.0，290.1）；N30G01X-1.6W0F0.3；粗车右端面，车削进给速度0.3mm/r；,N35G00X105.0Z300.0；快速走到外圆粗车循环起点；N40G71U1.0R1.0；粗车循环，每次车削深度1.0mm，每次退刀1.0mm；N45G71P50Q100U0.4W0.2F0.3S800；留粗车余量X向0.4mm，Z向0.2mm；N50G00X87.0F0.15；快速走到车削起点，精车进给0.15mm/r；,N55G42G01X48.0Z290.0；刀具右偏；N60W-60.0；精车48的外圆；（螺纹公差取0）N65X50.0；精车台阶端面；N70X60Z160.0；精车锥面；N75X65.0；精车台阶端面；N80W-80.0；精车65的外圆；N85G02X75.0W-5.0R5.0；精车R5内圆；N90X85.0；精车端面；N95Z25；精车85的外圆；N100G40.0；取消刀补；,N105G28U0W0；返回参考点；N110G50S1500；限制主轴最高转速为1500r/min，G50指令可做限位用；N115G96S20T0202；指定恒定切削速度，调用02号精车刀，02号刀补；N120G70P50Q100；粗车后精车；N125G00X87.0Z290.0；回退到精车端面快速运动起始点；N130X50.0；快速走到精车端面的工进点；N135G01X-2.0；精车右端面；,N140G28U0W0；返回到参考点；N145T0303；调用03号切槽刀，03号刀补；N150G00X51.0Z230.0；刀具快速运动到切槽起点；N160G01X45.0F0.15；切槽；N165G00X60.0；切槽刀退出；N170G28U0W0；返回参考点；,N175G97S1500T0404；取消恒定切削速度，指定主轴转速，调用04号螺纹车刀；N180G01X50.0Z293.0；快速运动到螺纹车削起始点；N185G76P31260Q0.1R0.1；复合螺纹加工循环；N190G76X45.8W-63.5P1.73Q0.85F2.0；复合螺纹加工循环；N195G28U0W0M05M09；主轴停，关闭冷却液；N200M30；程序结束。,第四章计算机数控装置,4.1概述4.2CNC装置的硬件结构4.3CNC装置的软件结构4.4可编程控制器（PLC）4.5国内外典型CNC系统简介重点：4.3.2(课件：4.3.1）,第5章数控机床的控制原理,5.1概述5.2逐点比较法5.3数字积分法5.4直线函数法重点：5.1.1、5.2.1、5.2.2、5.3.1、5.3.2、5.3.3,O,A,Y,X,复习：逐点比较法,插补基本原理;每次仅向一个坐标轴输出一个进给脉冲，每走一步都要将加工点的瞬时坐标与理论的加工轨迹相比较，判断实际加工点与理论加工轨迹的偏移位置，通过偏差函数计算二者之间的偏差，从而决定下一步的进给方向，使刀具向减小误差的方向进给。,每进给一步都要完成：偏差判别、坐标进给、新偏差计算终点判别四个工作节拍。,建立偏差判别函数:,逐点比较法的直线插补算法小结,0点在直线上方=0点在直线上0，表示加工点位于圆外；若Fi,j0，表示加工点位于圆内,若Fi,j0，,插补第一象限逆圆,向-X方向走一步,递推公式:,坐标进给,若Fi,j0，,向+Y方向走一步,递推公式:,坐标进给,终点比较用(X0-Xe)+(Ye-Y0)作为计数器，每走一步对计数器进行减1计算，直到计数器为零为止。,若Fi,j0，,若Fi,j0，,若Fi,j0，,若Fi,j0，,直线插补数字积分器：由累加器(或称余数寄存器)和被积函数寄存器组成。,5.3数字积分法,插补开始前，累加器(JRX、JRY）清零，被积函数寄存器(JVX、JVY）分别寄存xe和ye；插补开始后，每来一个累加脉冲t，被积函数寄存器里的内容在相应的累加器中相加一次，相加后若有溢出（即达到1个脉冲）则驱动相应坐标轴进给一个脉冲当量，而余数仍寄存在累加器中。直线加工需2n次累加运算.终点计数器的位数与被积函数寄存器相同.,直线插补数字积分器的工作过程：,DDA法直线插补举例插补第一象限直线OE，起点为O（0，0），终点为E（5，3）。取被积函数寄存器分别为JVX、JVY，余数寄存器分别为JRX、JRY，终点计数器为JE，均为三位二进制寄存器。解：累积次数m=23=8,各累加器的初始值为零，X轴被积函数初始值置Y0，Y轴被积函数初始值置X0；X轴被寄函数积存器存Yi，Y轴被寄函数积存器存Xi，为动点坐标；X轴积分累加器溢出到X方向，Y轴积分累加器溢出到+Y方向；X轴方向每发出一个进给脉冲，Y轴被积函数寄存器值减1；Y轴方向每发出一个进给脉冲，X轴被积函数寄存器值加1；,DDA第一象限逆圆插补过程：,（1）设置进给速率数FRNG93为实现不同长度程序段的恒速加工，在编程时考虑被加工直线长度或圆弧半径，采用FRN来表示“F”功能。,因为,所以,V要求的加工切削速度；L被加工直线长度；R被加工圆弧半径。,（直线），或,（圆弧）,FRN编程，其实质是控制迭代频率fg，fg与V/L（直线插补）或V/R（圆弧插补）成正比，当插补尺寸L或R不同时，使迭代频率作相应改变，以保证所选定的进给速度。,5.3.3提高数字积分法插补质量的措施,5.3.3提高数字积分法插补质量的措施,(2)进给速度的均匀化措施左移规格化一般规定：寄存器中所存在的数，若最高位为“1”，称为规格化数；反之，最高位为“0”，称为非规格化数。对于规格化数，累加运算两次必有一次溢出；对于非规格化的数，必须作两次甚至多次累加运算才有溢出。直线插补与圆弧插补的左移规格化处理稍有不同,6.1概述6.2旋转变压器6.3感应同步器6.4光栅重点：6.3.3、6.4.2,第6章数控机床的检测装置,位置检测装置的安装位置,半闭环控制的数控机床旋转变压器、编码器等。安装在电机或丝杠上，测量电机或丝杠的角位移，间接测量工作台的直线位移。闭环控制系统的数控机床感应同步器、光栅、磁栅等，安装在工作台和导轨上，直接测量工作台的直线位移。,第6章数控机床的检测装置,若滑尺绕组加励磁电压，则由于电磁感应而在定尺绕组上产生感应电压，其大小取决于滑尺与定尺的相对位置。,6.3.3感应同步器的工作原理,（当正弦绕组与定尺绕组对齐时，余弦绕组与定尺绕组相差1/4节距。）,当滑尺处于A位置，即滑尺绕组与定尺绕组完全对应重合，定尺绕组线圈中穿入的磁通最多，则定尺上的感应电压最大。随着滑尺相对定尺做平行移动，穿入定尺的磁通逐渐减少，感应电压逐渐减小。当滑尺移到图中B点位置，与定尺绕组刚好错开1/4节距时，感应电压为零。,当只给滑尺上正弦绕组加励磁电压时，定尺感应电压与定、滑尺的相对位置关系如图所示,再移动至1/2节距处，即图中C点位置时，定尺线圈中穿出的磁通最多，感应电压最大，但极性相反。再移至3/4节距，即图中D点位置时，感应电压又变为零，当移动一个节距位置如图中E点，又恢复到初始状态，与A点相同。在定尺移动一个节距的过程中，感应电压近似于余弦函数变化了一个周期，如图中ABCDE。,垂直入射读数头的结构示意图,6.4.2光栅的结构与测量原理,把光源、透镜、指示光栅、光电池和信号处理电路等组合在一起称为光栅读数头。,2光栅的基本测量原理,在透射式直线光栅中，当栅距d相等的指示光栅和标尺光栅沿线纹方向保持一个很小的夹角、刻划面相对平行且有一个很小的间隙（一般取0.05mm，0.1mm）放置时，两光栅尺上的线纹将互相交叉。,光栅的工作原理:根据物理上莫尔条纹的形成原理进行工作。,6.4.2光栅的结构与测量原理,W,莫尔条纹宽度W为：,当角很小时，,放大比k为：,莫尔条纹的特点(1)放大作用,莫尔条纹纹距W与光栅节距w和倾角之间的关系：,若d=0.01mm，0.01rad，则w1mm，k100,主要内容,7.1概述7.2步进电机及其驱动控制系统,第7章数控机床的伺服驱动系统,7.2步进电机及其驱动控制系统,步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电动机。,步进电机和一般电机不同，一般电机通电后连续转动，而步进电机则随输入的脉冲按节拍一步一步地转动。对步进电机施加一个电脉冲信号时，步进电机就旋转一个固定的角度，称为一步。每一步所转过的角度叫做步距角。,例：步进电机每转400步，即步距角为：,若丝杠的导程为10mm，齿轮传动比是1，系统的脉冲当量为：,步进电机的角位移量和输入的电脉冲数成正比。步进电机的转速与输入的电脉冲信号的频率成正比步进电机的转动方向与步进电机的工作方式(通电顺序)有关。